Поддержание тепловых режимов электронной аппаратуры и ее элементов в заданных пределах является залогом надежного функционирования изделия в дальнейшем. Контроль тепловых режимов печатных плат (ПП) электронных устройств – актуальная задача для обеспечения их работоспособности и надежности. При повышенных температурах не только ухудшаются электрические параметры, но и ускоряется протекание нежелательных физико-химических процессов в материалах и конструкциях компонентов, что в конечном итоге может привести к выходу электронного изделия из строя.
Эти факторы послужили основанием для исследования тепловых режимов электронных модулей производства «Совтест АТЕ» с использованием технологий тепловизионного контроля на участке сборочного производства ПП. (рис.1). До недавнего времени в технологической цепочке производства нашей сложной электроники активно использовался пирометрический контроль на тестовой системе с подвижными пробниками Pilot4D V8 (Seica, Италия). Для реализации данных испытаний на тестируемый электронный модуль подается питающее напряжение через краевой разъём (с помощью программируемых источников тестовой системы), а подвижные пирометрические датчики с заданным шагом считывают температуры зон контролируемого изделия. По результатам строится температурная карта исследуемого объекта. Достоинство - технология проста и эффективна в условиях производства, не требует данных САПР. Недостаток данного метода на Pilot4D V8 - отсутствие возможности полноценной эмуляции работы сложных электронных модулей. Именно по этой причине было решено реализовать опцию теплового исследования совместно с функциональным контролем - возникло предположение, что интеграция опции тепловизионного контроля именно на стадии функционального тестирования позволит полнее реализовать возможности этого метода. Таким образом, новые термографические исследования были выполнены на базе выпускаемого нашим предприятием тестера функционального контроля FT-
17M с интегрированным тепловизором. При этом контролируемое изделие проверялось в разных режимах работы, а входящие в его состав компоненты выводились на реальную рабочую температуру – смотри рис.2. Новая тестовая система получила название FT-17 IR - тестер функционального контроля с интегрированным тепловизором.
Тепловой режим электронных компонентов является одним из определяющих факторов их работоспособности, различные температурные отклонения, как правило, связаны с наличием определенных дефектов (рис.3-4):
- Превышение нормальной температуры на плате может быть вызвано коротким замыканием, тогда по цепи пойдет ток нагревающий проводник, или некачественным соединением (непропай, холодная пайка и т.п.), в таких случаях сечения проводника не достаточно для прохождения расчетных токов.
- Отсутствие контакта или обрывы приводят к противоположному отклонению температур - часть элементов цепи не нагревается до нормального уровня.
- Отклонение температурных режимов компонента от проектных данных свидетельствуется или о контрафакте или о несоответствии технических параметров.
Таким образом, тестовая система FT-17 IR позволяет выявлять и локализовать большинство дефектов изделий, если они оказывают влияние на температурные карты.
Для тепловизионного контроля важно воссоздать работу изделия в разных режимах и контролировать при этом динамику температурных изменений входящих в изделие компонентов.
Стоит отметить, что метод термографического контроля не влечет за собой значительных дополнительных затрат на внедрение:
- Бесконтактное тестирование не требует изготовления оснастки для подключения к изделию.
- Нет необходимости в предварительной подготовке алгоритма тестирования.
- Есть возможность совмещения термографических и функциональных испытаний изделия без организации дополнительного рабочего места.
На производстве «Совтест АТЕ» мы добавили операцию тепловизионной инспекции при выходном контроле одной из самых сложных плат пин-электроники нашего производства предназначенной для тестеров микросхем FT-17 HF. Данные электронные модули содержат более 6000 компонентов, в том числе несколько десятков ИМС в корпусах BGA. (рис.5)
Ранее процесс выходного тестирования электроники такой сложности основывался на её самотестировании и проверке специализированным измерительным комплексом функционального контроля. Содержание такой проверки, заключалось в сравнении эталонных сигналов с сигналами, поступающими с проверяемого электронного модуля. Такой контроль позволяет выявлять неисправные изделия, однако получить с его помощью полную информацию о скрытых дефектах, необходимую для прогнозирования интенсивности отказа невозможно.
Температурный контроль был совмещен с тестированием во время функционального контроля. Тестер FT-17 IR обеспечивает различные режимы нагрузки платы, при этом камера машинного зрения фиксирует распределение температуры по поверхности электронного модуля для каждого режима. Данные выводятся на экран в виде температурных карт и автоматически анализируются программным обеспечением на наличие температурных отклонений (рис 6).
Расчет температурных отклонений основывается на сравнении измеренных температур с эталонными. Учитывая то, что электронный модуль HF является мелкосерийным высокотехнологичным электронным изделием повышенной сложности - выбрать эталонные значения наработкой статистики крайне сложно и экономически необоснованно. Расчетных данных отдельных компонентов оказалось недостаточно, так как электронный модуль HF имеет большое количество расположенных близко друг к другу компонентов с высоким коэффициентом рассеивания тепла - это обязывает брать во внимание влияние теплообмена между этими элементами. Разработчики нашли подходящее решение в применении программной среды HyperLynx от Mentor Graphics PADS, позволяющей моделировать тепловую модель печатной платы (рис.7). Данные САПР были импортированы в оболочку HyperLynx Thermal. С помощью данного ПО, используя специализированные библиотеки, была рассчитана модель распределения теплового поля по поверхности принятой за эталонную платы.
С использованием опции тепловизионного контроля были проведены испытания электронного модуля HF в режимах критической нагрузки.
Полученные при этом термографические карты предоставляют полную информацию о распределении теплового поля при различных рабочих режимах электронного модуля. Были выявлены компоненты, склонные к повышенному нагреванию при работе в критических режимах, компоненты, часто меняющие свою температуру во время работы электронного модуля, а также области с явно выраженным перепадом температур. На основании этих данных разработчики модуля HF оптимизировали систему охлаждения – были добавлены дополнительные теплоотводящие элементы, перераспределены датчики температур.
Во время исследования нашим разработчикам удалось выяснить, что на интенсивность отказов влияет не только температурный режим с повышенным уровнем температур, но и частые изменения этого режима, что стало возможным именно благодаря интеграции опции тепловизионного контроля в тестер функционального контроля FT-17M. Так по результатам экспериментальных исследований было установлено, что для радиоэлектронных блоков с воздушным охлаждением при изменении температуры от 40 до 70°С интенсивность отказов увеличивается в несколько раз.
Полученный результат заставляет задуматься о применении опции тепловизионного контроля на стадии проектирования новых электронных модулей, а так же на стадии модернизации и ремонта уже имеющихся. Об этом мы обязательно поделимся с Вами в наших следующих публикациях.